induktion - Universität Regensburg
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FAKULTÄT FÜR PHYSIK Universität Regensburg Arbeitsgruppe Didaktik der Physik INDUKTION GRUPPE 1: ALLTAGSORIENTIERTER ZUGANG ZUR INDUKTION - FAHRRADDYNAMO Die elektromagnetische Induktion ist der Schlüssel zum Verständnis der Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie. Im Sinne eines an Alltagserfahrungen ausgerichteten Unterrichts ist es deshalb z.B. sehr sinnvoll, in das Thema Induktion über den Fahrraddynamo einzusteigen. Eine andere mögliche, ebenfalls intrinsische Motivation der Behandlung der Induktion ist die Frage danach, wie man die Elektronen in einem Stromkreis „anschieben“ kann. Bei diesem Einstieg wird allerdings der Alltagsbezug nicht so deutlich berücksichtigt. 1.1 Zerlegen Sie einen Fahrraddynamo und erläutern Sie, was man aus seinem Aufbau darüber lernen/vermuten kann, wie man mechanische in elektrische Energie umwandeln bzw. die eine elektrische Spannung erzeugen kann! 1.2 Stellen Sie mit Hilfe eines Fahrraddynamos die elektrische Energie bereit, die Sie zum Betrieb eines Lämpchens benötigen! Reflektieren Sie, warum es in der Aufgabenstellung heißt „Stellen Sie die Energie bereit …“ und nicht „Erzeugen Sie die Energie …“! Diskutieren Sie vor diesem Hintergrund die Formulierung „Erzeugen Sie die Spannung …“! 1.3 Betrachten Sie die mit einem Fahrraddynamo erzeugte Wechselspannung mit dem Oszillographen! 1.4 Bestimmen Sie den Wirkungsgrad eines Fahrraddynamos! 1.5 Machen Sie sich kundig, mit welchen Wirkungsgraden moderne Generatoren betrieben werden! GRUPPE 2: EXPERIMENTE ZUR ERARBEITUNG DER INDUKTION 2.1 In den nachfolgenden Experimenten soll die Erzeugung einer Induktionsspannung in möglichst einfachen Versuchen demonstriert werden. Zudem soll und untersucht werden, wovon die Polung und der Betrag der Induktionsspannung abhängen. Verwenden Sie zum Nachweis der Induktionsspannung i zwei parallel geschaltete Leuchtdioden (möglichst verschiedenfarbig)! ii ein Zeigerinstrument mit dem Nullpunkt in der Skalenmitte! 2.2 Demonstrieren Sie die Induktion in einer Spule a) indem Sie einen Magneten in der Umgebung der ruhenden Spule bewegen! b) indem Sie die Spule in der Umgebung eines ruhenden Magneten bewegen! Demonstrieren Sie auch die Induktion in einer im Erdmagnetfeld bewegten Spule! Welches Zwischenergebnis über die Bedingung für die Entstehung einer Induktionsspannung könnte man nach den Versuchen a) und b) formulieren? c) indem Sie mit Hilfe einer sog. Feldspule ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugen, das auch die Induktionsspule durchsetzt! Formulieren Sie nun allgemein die Bedingung dafür, dass in einer Spule Spannung induziert wird 2.3 Demonstrieren Sie qualitativ, wovon die Polung und der Betrag der Induktionsspannung abhängen! 2.4 Bauen Sie einen Modellgenerator auf und zeigen Sie, mit Hilfe eines Oszillographen, dass man damit Wechselspannung oder pulsierende Gleichspannung erzeugen kann! G:\D1\ExpSem\ESemGy2\SW04\Induktion.docx Seite 1 von 3 [Geben Sie den Dokumenttitel ein] GRUPPE 3: Seite 2 von 3 SELBSTINDUKTION – REGEL VON LENZ 3.1 Drehen Sie einen Handkurbelgenerator • zuerst im Leerlauf, • dann bei Belastung mit einer 12V/50W-Lampe, • dann beim Kurzschluss der Ausgänge. Erklären Sie Ihre Beobachtung mit Hilfe der Regel von Lenz und mit Hilfe des Energieerhaltungssatzes! 3.2 Schalten sie ein Lämpchen parallel zu einem baugleichen Lämpchen, das mit einer Spule in Reihe geschaltet ist. Betreiben Sie die Schaltung zuerst mit einer Gleichspannung und beobachten Sie den Einschaltvorgang! Überlegen Sie zuerst, was Sie erwarten! Betreiben Sie die Schaltung jetzt mit einer Wechselspannung! Was erwarten Sie? 3.3 Führen Sie den Thomson’schen Ringversuch vor und geben Sie eine Erklärung! 3.4 Führen Sie einen Modellversuch zur Wirbelstrombremse vor! GRUPPE 4: DER UNBELASTETE TRANSFORMATOR 4.1 Bauen Sie einen für Demonstrationsexperimente im Unterricht typischerweise verwendeten (Modell-)Transformator auf und demonstrieren Sie möglichst anschaulich, dass ein Transformator nur mit Wechselspannung arbeitet! Erklären Sie, die Entstehung der Induktionsspannung in schülergemäßer Sprache! 4.2 Zeigen Sie durch Messung der Stromstärke im Primärkreis, dass der unbelastete Trafo primärseitig kaum Leistung aufnimmt! Der Sachverhalt scheint auf den ersten Blick unverständlich, wo doch eine Spannung an den Trafo angelegt wird, und er ohm’sche Widerstand der Primärwicklung nicht über die Maßen groß ist. Geben Sie eine möglichst elementare Erklärung! 4.3 Führen Sie eine Versuchsreihe zur Untersuchung des quantitativen Zusammenhangs zwischen Windungszahlen und Spannungen für den unbelasteten Transformator (d.h. wenn nur sehr sehr kleine Ströme fließen) durch! Fertigen Sie einen Vorschlag für einen Tafelanschrieb bzw. Hefteintrag zur Durchführung und Auswertung dieser Experimente an! GRUPPE 5: DER BELASTETE TRANSFORMATOR Ein Transformator wird als belastet bezeichnet, wenn ein „Verbraucher“, eine sog. Last angeschlossen ist, sodass in der Sekundärspule ein Strom fließt. Hat der Verbraucher einen kleinen Lastwiderstand, so ist der Laststrom groß und der Trafo stark belastet. 5.1 Bauen Sie einen Experimentiertrafo mit der Primärwindungszahl n1=300 und der Sekundärwindungszahl n2=600 Windungen auf und stellen Sie die Primärspannung so ein, dass die Sekundärspannung am unbelasteten Trafo 6V beträgt und messen Sie die Primärstromstärke! Belasten Sie den Trafo nun sekundärseitig a) mit einem Lämpchen mit den Kenndaten 6V / 30mA b) mit einem mit den Kenndaten 6V / 500mA. c) durch einen Kurzschluss (nur Strommessgerät als Last). Messen Sie in allen Fällen (bei unveränderter Primärspannung) die Sekundärspannung und die Sekundärstromstärke und die Primärstromstärke. G:\D1\ExpSem\ESemGy2\SW04\Induktion.docx F AKUL TÄT FÜR P HYSIK – AG F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R. [Geben Sie den Dokumenttitel ein] Seite 3 von 3 Messtabelle zum belasteten Transformator (Übersetzungsverhältnis n2 : n1 =2 : 1) Last U1 in V I1in mA U2 in V I 2 in mA Leerlauf 6V / 30 mA 6V / 500 mA Kurzschluss Überprüfen Sie für die belasteten Fälle, wie gut die Beziehung n1 I 2 = gilt! n2 I 1 Wie sieht es mit der Gültigkeit der Gesetzmäßigkeit für die Spannungsübersetzung aus? 5.2 Belasten Sie den Trafo nun sekundärseitig mit einem 320-Ohm Schiebewiderstand und stellen Sie mit einem Zweistrahloszilloskop die Primärspannung u1 und die Sekundärspannung u2 für verschiedene Belastungen dar! Beschreiben Sie ihre Beobachtung und geben Sie eine Erklärung für die beobachteten Sachverhalte! G:\D1\ExpSem\ESemGy2\SW04\Induktion.docx F AKUL TÄT FÜR P HYSIK – AG F ACHDIDAKTIK P HYSIK – J.R.
